不可小视的刀具夹头

在机械加工行业中，按刀具夹头夹持刀具柄部的方式不同，一般可以分为螺钉侧固式、弹簧衬套式和液压式三种。螺钉侧固式夹头主要用于立铣刀等刀具的夹紧，同轴度最差；弹簧夹头则大量用于丝锥、钻头、甚至铰刀等孔加工刀具；液压式刀具夹头的精度及各方面性能指标最高，但其结构复杂，价格也最贵，主要用于铰孔和有特殊要求的钻孔及铣削加工。

随着机加工技术的发展，近十年来，欧美一些国家的刀具供应商先后研制成功了热装式刀具夹头（SHRINK-FIT）和TRIBOS刀具夹头（德国雄克公司的专利产品），其结构简单，价格便宜，而精度可与液压夹头相媲美。

我公司在2004年底缸体专机生产线的改造过程中，选用了一部分热装式刀具夹头（HSK63），装夹在钻头、铰刀和立铣刀等刀具上，用于长油孔的钻孔加工，并为此购买了热装式夹头对刀仪。从实际使用效果来看，刀具的旋转精度有所提高，刀具寿命得到延长，基本上解决了改造以前钻头频繁折断的问题。现在，在公司的其他新项目中已推广热装式刀具夹头，反映较好，只是偶尔出现刀具无法插入的情况。经过分析，我们认为可能的原因有：刀具夹头内径尺寸问题；刀具柄部尺寸或形状精度没有达到要求；刀具夹头内孔未清理干净等。为确保加工质量，我们建议尽量选择知名品牌的刀具夹头产品。

除了生产线中已经采用的热装式刀具夹头，借鉴韩国现代公司TRIBOS刀具夹头的使用经验，从2005底开始，我们在山东动力总成生产基地缸盖柔性线上，开始推广使用TRIBOS刀具夹头，主要用于钻孔、铰孔等工位。但使用的时间较短，经验不太丰富，目前遇到的问题和热装式夹头一样，偶尔发生刀具拆装困难的情况。主要原因是：刀具柄部的尺寸精度和形状精度不达标；夹紧力和夹紧点可能选择的不正确。

总体来说，这两种刀具夹头达到了我们预期的效果。下面着重对它们的装夹原理、特点、性能等进行分析。

两种夹头的装夹原理

两种刀具夹头的夹持力都来自于材料的弹性变形，但结构和装刀方法不同。

TRIBOS刀具夹头的装夹原理如图1所示：

图1 TRIBOS刀具夹头的装夹原理

图1-1：刀具夹头用于夹持刀具的一端在自然状态下内孔（图中红色部分）呈不规则的三角形或凸轮的形状，此时与其相配合的刀具无法插入；

图1-2：在外圆上与“三角形”内孔的三个“顶点”相对的位置，用特殊工具施加适当的外力，使其产生弹性变形，此时内孔呈规则的圆形，而外圆则呈不规则的“三角形”；

图1-3：保持夹紧力不变，将刀具（图中绿色部分）插入刀柄中，调整刀具长度；

图1-4：释放外力，由于弹性恢复的作用，使得刀具的柄部和刀具夹头的“三角形”内孔之间产生如图所示的“三点”接触，从而起到了夹紧刀具的作用。

图2 是一典型的TRIBOS夹头。

图2 典型的TRIBOS刀具夹头

热装式刀具夹头的工作原理很简单，如图3所示，其夹持刀具的一端内孔被加工成简单的内圆形状。该内圆的直径会比刀具柄部的直径稍小。通过特殊设备加热到一定温度，使其内孔膨胀，产生足够的间隙后，装入并调整刀具，冷却。由于夹头材料收缩，刀具被牢牢地夹持，其夹持原理亦是根据材料的弹性恢复，但夹头与刀具柄部的接触面积远大于TRIBOS夹头。

图3 热装式刀具夹头及实物平剖图

对刀具和调刀的特殊要求

由于两种刀具夹头内孔的伸缩量有限，TRIBOS夹头内孔的伸缩量为直径的3‰左右，热装式夹头可以根据材料在300℃的热膨胀系数计算得出。刀具柄部直径变化过大会影响装夹和正常使用，所以要求刀具柄部达到h6级尺寸精度，并保证较好的形状精度，以及具有足够长的、完整的圆柱形状。同时这两种夹头都需要特殊设备来辅助拆装和调整刀具。

目前，热装式夹头一般用感应线圈加热的方式来完成拆装工作。为了提高效率，一般会配备水冷系统对刀夹进行快速冷却，同时也是为了降低烫伤的风险，有效地保护操作者。

TRIBOS夹头的装刀装置也不复杂，但夹紧力的设定非常关键，否则会损害夹头。

近年来，以德国ZOLLER 公司为代表的对刀仪生产商针对这两种刀具夹头开发并完善了可以进行拆装、调整以及测量的新型对刀仪。这种新型对刀仪使得刀具预调工作变得容易，而且通过程序控制可以防止温度过高（热装式）或夹紧力过大（TRIBOS）。对刀仪的这种防错功能非常有必要。当然也可以单独购买拆装两种刀柄的简易设备，在简易设备上进行刀具的粗调之后，再利用普通对刀仪精确测量，获得CNC设备所需的刀补尺寸。

两种夹头的共同优点

1、 精度高：径向跳动小于0.003mm；

2、 高性价比：结构简单，制造成本低，所以价格便宜，热装式夹头的价格还不到液压夹头的1/3；

3、 没有用于夹紧刀具的附件，不需要维修，使用非常方便；

4、 适合高速切削：其转速可以达到55000r/min。在高速高精度加工中，刀具系统的动平衡非常重要，这两种夹头简单对称的结构可以很容易达到高水平的动平衡指标，这样就可以在机床和刀具允许的范围内选用高转速进行高效率切削。不过这一特点和液压刀具夹头比并无明显优势，因为目前在汽车零件加工中，常用机床的主轴转速一般都在20000r/min以内，小直径刀具的最高转速也只是15000r/min左右，在模具加工行业会稍高些，接近或达到30000r/min；

5、 适合加工工件上比较深的、需要刀具夹头通过狭窄空间才能到达的部位，这是普通的传统夹头很难做到的。而热装式夹头和TRIBOS夹头因其夹持刀具部分的结构简单，可以很容易做成细长的形状，避免几何干涉。对于在型腔内部的孔或面的加工来说，变得相对比较容易，而且由于缩短了不必要的刀具长度，减少了用长刀具带来的对圆跳动的放大作用，刀具本身可以获得较高的精度。这样既提高了刀具寿命又节约了刀具材料，从而达到增效降本的目的。

两种夹头性能比较

依据实际生产经验，我们对热装式夹头和TRIBOS夹头的性能进行了比较分析，如表1所示。

结语

综上所述，这两种刀夹在实际生产中，可以有效地降低刀具成本，提高生产效率。如果在较大的新项目中广泛采用，即使包括购买特殊型式的对刀仪在内，亦可降低项目的刀具投资。

当然，技术人员在刀具选型的过程中，除了要充分了解各种刀具夹头的特点，还要结合本单位的实际情况综合考虑，只有这样才能制定出最佳的解决方案。

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